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3D打印微反应器用于酶催化4-羟基二苯乙烯连续流合成

发布:康宁反应器技术有限公司
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研究背景

       连续流化学合成已成为化学领域的十大先进技术之一,酶催化由于具有较高的区域及立体选择性引起越来越多的关注。热稳定性好的酶,可以利用3D生物打印技术以琼脂糖为原料快速地生产具有生物催化作用的反应器。

4-羟基二苯乙烯连续流合成

       来自卡尔斯鲁厄理工学院生物研究所的Kersten S. Rabe团队报道了利用3D打印技术生产具有生物催化作用的反应器。研究人员首先将酶与琼脂糖溶液混合制成生物墨水后冷却,然后在8°C下储存。使用3D打印机,在60°C下熔化生物墨水,并打印到冷却基质上,形成生物催化模块。这些模块被集成到连续流反应器中,将底物溶液加入到反应器中,进行连续流合成。

       4-羟基二苯乙烯是2,3-二氢苯并呋喃类药物的重要前体,研究人员利用丙烯酸苯酯脱羧酶(PAD)催化对羟基苯丙酸,连续生成4-乙烯基苯酚。在串联的第二步反应中,酶催化产生的乙烯基苯酚,参与醋酸钯催化的Heck反应。以对香豆酸为原料合成了4-羟基二苯乙烯,总收率为14.7%(路线1)。

路线1:4-羟基二苯乙烯的合成.png

路线1:4-羟基二苯乙烯的合成

       研究人员首先研究了四种用于4-乙烯基苯酚生产的无辅助因子丙烯酸苯酯脱羧酶,并测试了它们对可分离式微反应器的盘状琼脂糖模块的封装和直接3D打印的可行性(见下图1)。

图1. 3D打印可行性研究.jpg

图1. 3D打印可行性研究

       由于生物催化活性反应器的打印需要在60°C下进行15 min的初始加热,因此需要使用自然产生的耐热酶或蛋白质工程热稳定的酶来获得耐热酶。为了拓宽现有生物催化剂的范围,确定合适的PAD酶,研究人员直接比较了四种不同酶在相同条件下的酶活性和热稳定性(见图2)。

图2 A)四种不同的PAD;B)以Z简单的对-羟基苯丙烯酸和Z简单的有取代基的对-羟基苯丙烯酸为底物进行活性测试;C)四种PAD的热稳定性范围.png

图2 A)四种不同的PAD;B)以Z简单的对-羟基苯丙烯酸和Z简单的有取代基的对-羟基苯丙烯酸为底物进行活性测试;C)四种PAD的热稳定性范围

       结果显示,四种酶的活性在本文所研究的条件下(图2B)处于相同的数量级,基于这一结果,研究人员将酶的热稳定性作为筛选的依据。在25℃下,以对香豆酸为底物测定酶活性,所产生的酶活性与孵化温度的关系图,可用于确定T50值,即初始酶活性仍保持50%时的温度(图2C)。结果显示,EsPAD是Z耐热的酶,以对香豆酸为底物的测试中酶活性Z高。

       为了进一步确认所得到的四种酶的T50值是对用于3D打印适用性预测的准确性,用4种酶制备了琼脂糖生物油墨,并打印出具有生物催化活性的反应模块(每个模块含有97nmol酶)。通过使用流动反应器装置(图3A),以12.5mL/min的恒定流速向反应器中加入0.125mM对香豆素酸溶液进行催化的脱羧反应。

图3 A)连续流反应装置;B)含有EsPAD的模块转化为78%的对香豆酸;C)50mL收集管及向反应器加入底物溶液;D)4-乙烯基苯酚(上)/ 4-羟基二苯乙烯(下).png

图3 A)连续流反应装置;B)含有EsPAD的模块转化为78%的对香豆酸;C)50mL收集管及向反应器加入底物溶液;D)4-乙烯基苯酚(上)/ 4-羟基二苯乙烯(下)

       收集反应器流出的样品,并用HPLC进行分析。正如T50结果所预测的,含有LpPAD、BmPAD或LbPAD的反应器模块中收集的样品未检测到4-乙烯基苯酚,然而在同样条件下,含有EsPAD的模块转化了78%的对香豆酸(图3B)。为了提高转化率,将生物墨水中的酶浓度提高到100μM。在此反应条件下,1 mM对香豆酸的转化率可达98%。

       经萃取、快速层析纯化得到4-乙烯基苯酚(图3D上),分离收率为54%。根据路线1所示的反应,经钯催化的Heck反应将纯化的4-乙烯基苯酚与碘苯偶联得到了 4-羟基二苯乙烯(图3D下),总收率约为15%。


实验总结:

       研究人员利用酶催化的GX性,结合3D打印技术可以快速生产具有生物催化活性的微反应器。

       以此生产的反应器以香豆酸为原料进行了4-羟基二苯乙烯的连续流合成。

       该方法具有快速GX,反应条件温和的特点,给有机合成的研究开辟了一个新的研究方向。


参考文献:Chem. Eur. J. 10.1002 / chem. 201904206


2020-02-19
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